檔桿故障下高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布研究

萬書亭， 肖珊珊， 豆龍江， 張 雄， 趙曉迪

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

檔桿故障下高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布研究

萬書亭， 肖珊珊， 豆龍江， 張 雄， 趙曉迪

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

將HyperMesh與LS-Dyna相結(jié)合對(duì)檔桿故障下的高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。首先根據(jù)高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件尺寸建立其三維模型，然后通過有限元軟件HyperMesh對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后利用LS-Dyna對(duì)斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)檔桿故障進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算，通過仿真，得到了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)檔桿故障下各關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力點(diǎn)位置。分析結(jié)果可知，在檔桿故障下，整個(gè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力狀況普遍降低，并且動(dòng)觸頭行程明顯無法滿足斷路器設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果對(duì)斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)零件失效分析及可靠性設(shè)計(jì)提供了有益參考。

高壓斷路器； 檔桿故障； HyperMesh； 應(yīng)力分析

0 引言

高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中最為重要的開斷設(shè)備，如果在電網(wǎng)正常運(yùn)行的過程中高壓斷路器發(fā)生故障又不能及時(shí)得到處理，有可能對(duì)電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生巨大的危害[1-2]。同時(shí)在高壓斷路器中，扇形板檔桿在合、分閘過程中起著至關(guān)重要的作用，一旦檔桿出現(xiàn)裂紋，就會(huì)嚴(yán)重影響斷路器的運(yùn)行，出現(xiàn)合閘不到位或者分合閘速度減緩等一系列現(xiàn)象。因此實(shí)施髙壓斷路器檔桿故障分析能夠?yàn)轶{壓斷路器智能故障診斷提供診斷的依據(jù)，及時(shí)了解高壓斷路器的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在故障，同時(shí)還可以對(duì)檔桿故障下高壓斷路器的運(yùn)行進(jìn)行理論分析指導(dǎo)，提高故障維修的針對(duì)性。

目前，對(duì)高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障分析有很多，文獻(xiàn)[3]針對(duì)高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘彈簧失效問題，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行分析研究，找出了彈簧因疲勞可靠度不足而失效的原因，并提出了解決問題的措施；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于聲振聯(lián)合分析的斷路器故障診斷方法，對(duì)斷路器的卡澀和螺絲松動(dòng)故障進(jìn)行了分析診斷；文獻(xiàn)[5]分析了高壓斷路器的常見故障，并對(duì)斷路器拒動(dòng)、誤動(dòng)等故障原因進(jìn)行了詳細(xì)分析；文獻(xiàn)[6]通過監(jiān)測(cè)斷路器動(dòng)作過程中的振動(dòng)信號(hào)的方法對(duì)高壓斷路器潤(rùn)滑不良、觸頭磨損、螺絲松動(dòng)等機(jī)械故障進(jìn)行故障識(shí)別與診斷；文獻(xiàn)[7]運(yùn)用EMD 和 SVM 相結(jié)合的診斷方法，對(duì)ZN28A 型真空斷路器正常狀態(tài)、拐臂潤(rùn)滑不足、緩沖器有多余無效撞擊等一系列故障進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]對(duì)CT14彈簧機(jī)構(gòu)扇形板不復(fù)位的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的處理方法以及有效的預(yù)防措施；文獻(xiàn)[9]通過多分辨率奇異譜熵分析方法，對(duì)斷路器的機(jī)械故障進(jìn)行了振動(dòng)分析。但是這些文獻(xiàn)都沒有針對(duì)扇形板檔桿進(jìn)行故障分析，因此本文將結(jié)合HyperMesh與LS-Dyna軟件對(duì)高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)檔桿故障進(jìn)行應(yīng)力分析。

本文研究的高壓斷路器是利用儲(chǔ)能彈簧為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)合閘、分閘動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)間快，在30～40 ms的極短時(shí)間內(nèi)完成合(分)閘動(dòng)作。并且高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中存在的非線性碰撞以及大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形等特點(diǎn)[10]。本文選用LS-DYNA軟件作為應(yīng)力分析計(jì)算工具，通過HyperMesh對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及定義材料、屬性、接觸、載荷等的建立，進(jìn)行檔桿裂紋故障下機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力計(jì)算。分析結(jié)果對(duì)高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及監(jiān)控維護(hù)具有重要的參考價(jià)值。

1 高壓斷路器工作原理及檔桿故障分析

高壓斷路器利用儲(chǔ)能彈簧為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)合閘、分閘動(dòng)作，合閘彈簧儲(chǔ)能采用電動(dòng)機(jī)完成。

合閘時(shí)，檔桿約束扇形板的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得彎板、頂板、轉(zhuǎn)臂和基座形成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。在合閘彈簧的作用下，凸輪擠壓滾輪帶動(dòng)頂板向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)桿將動(dòng)力傳遞到動(dòng)觸頭，同時(shí)拉動(dòng)分閘彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能，完成合閘。分閘時(shí)，檔桿解除對(duì)扇形板的約束，在分閘彈簧作用下，完成動(dòng)、靜觸頭分離。

以CT14型高壓斷路器為例，工作原理如圖1所示。

1. 輸出桿； 2. 轉(zhuǎn)臂； 3. 頂板； 4. 滾輪； 5. 儲(chǔ)能軸與凸輪； 6. 扇形板； 7. 彎板； 8. 擋桿圖1 高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

檔桿作為高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定連接件，在合閘過程中起著固定扇形板的作用。每一次合閘，扇形板對(duì)檔桿都會(huì)有一個(gè)隨時(shí)間變化的接觸力，長(zhǎng)此以往檔桿容易產(chǎn)生疲勞破壞，在扇形板與檔桿接觸部位，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能會(huì)使檔桿產(chǎn)生裂紋故障。因此需要對(duì)檔桿的故障進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

2 高壓斷路器有限元模型

HyperMesh是一個(gè)高效的有限元前后處理器，能夠建立各種復(fù)雜的有限元和有限差分模型，與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能，提高了建模的效率和質(zhì)量，縮短了高壓斷路器的分析周期。

本文重點(diǎn)研究斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)檔桿故障下的應(yīng)力分布，包括扇形板與檔桿、凸輪與滾輪的高速碰撞接觸應(yīng)力等，為了控制計(jì)算規(guī)模和節(jié)約時(shí)間，突出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，提取傳動(dòng)鏈上的主要零部件：儲(chǔ)能軸、凸輪、滾輪、頂板、轉(zhuǎn)臂、輸出桿等作為研究對(duì)象，初始時(shí)處于非接觸狀態(tài)。

2.1 網(wǎng)格劃分

將高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)Pro/E實(shí)體模型導(dǎo)入到HyperMesh當(dāng)中，并進(jìn)行幾何清理和模型簡(jiǎn)化，處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入HyperMesh實(shí)體模型

對(duì)CT14斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分：板殼類零件采用2D的mixed(quads和trias)單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，element size取4.0；軸、桿、彈簧及外形復(fù)雜的零件采用3D的solid map網(wǎng)格進(jìn)行劃分；固定連接采用1D的rigids單元建立，鉸鏈連接采用1D的beam單元建立并約束其自由度，僅可轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)于凸輪與滾輪之間和扇形板與擋桿之間的接觸，通過contactsurfs對(duì)其接觸表面的2D網(wǎng)格進(jìn)行接觸設(shè)置。最終的有限元模型見圖3。

圖3 CT14彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型

2.2 定義材料屬性

設(shè)置HyperMesh系統(tǒng)單位為mm、kg、kN、GPa、ms，該型斷路器零件所用金屬材料主要有45號(hào)鋼、Q235A、20CrMnTi、彈簧鋼60Si2CrVA，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

2.3 設(shè)置約束、載荷和求解控制

對(duì)圖3的有限元模型添加約束：將斷路器支撐板體視為剛體并約束其各個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，約束各軸僅沿自身軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)，約束分閘彈簧下端各個(gè)方向的自由度，設(shè)置各零件間的接觸屬性。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

該斷路器的合閘驅(qū)動(dòng)力由分裝于兩側(cè)的合閘彈簧組提供，每側(cè)2根大彈簧，每根大彈簧又內(nèi)嵌1根小彈簧，共8根彈簧，為簡(jiǎn)化模型，此處將2根小彈簧等效為1根大彈簧，即每側(cè)由3根大彈簧提供合閘驅(qū)動(dòng)力。圖4是單根彈簧的張力—變形量曲線。斷路器彈簧儲(chǔ)能完畢后，彈簧伸長(zhǎng)量為120 mm，拉力不低于4.554 kN。因此HyperMesh中的兩側(cè)合閘彈簧每側(cè)的初始載荷為4.554×3=13.662 kN，加載曲線如圖5所示。

圖4 彈簧張力變形曲線

圖5 加載曲線

合閘時(shí)斷路器要迅速動(dòng)作，動(dòng)、靜觸頭之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)力，這個(gè)電動(dòng)力由2部分組成：洛倫茲力和霍爾姆力。本文根據(jù)斷路器的相關(guān)參數(shù)，電動(dòng)力取值為FD=725 N。同時(shí)設(shè)置重力及其方向，重力加速度取為9.81×10-3mm/ms2。

由于LS-DYNA采用的顯式中心差分法是有條件穩(wěn)定的，只有當(dāng)時(shí)間步小于臨界時(shí)間步時(shí)才穩(wěn)定。臨界時(shí)間步長(zhǎng)由LS-DYNA自動(dòng)計(jì)算，它依賴于劃分的單元長(zhǎng)度尺寸l和材料特性常數(shù)c，見式(1):

(1)

式中：η是為達(dá)到穩(wěn)定而采用的比例系數(shù)，以此來減小時(shí)間步長(zhǎng)，系統(tǒng)缺省值為0.9。

對(duì)于整個(gè)有限元模型，控制實(shí)際計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的是最小尺寸單元Δtmin。所以劃分網(wǎng)格時(shí)一定要注意網(wǎng)格質(zhì)量，如果出現(xiàn)過多的小單元，計(jì)算時(shí)間將成倍增加。

3 高壓斷路器檔桿故障應(yīng)力分布

檔桿在合閘過程中起著固定扇形板的作用，一旦檔桿部位發(fā)生裂紋故障如圖6所示，扇形板與檔桿之間的接觸應(yīng)力就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，極易出現(xiàn)應(yīng)力集中等現(xiàn)象，致使斷路器的合閘動(dòng)作無法有效的完成。

圖6 檔桿故障下機(jī)構(gòu)應(yīng)力模型

進(jìn)行裂紋有限元分析前，先在Pro/E對(duì)檔桿實(shí)體模型進(jìn)行寬度為1 mm，深度為7 mm、15 mm和20 mm的裂紋處理，然后導(dǎo)入hypermesh中用3D的solidmap面板進(jìn)行網(wǎng)格劃分。檔桿采用對(duì)稱剛性固定約束，用1D的rigids單元對(duì)檔桿與機(jī)架建立連接。扇形板與檔桿之間的接觸采用contectsurfs進(jìn)行接觸面的設(shè)置，初始狀態(tài)為非接觸狀態(tài)。

3.1 檔桿的應(yīng)力分析

正常狀態(tài)下檔桿的應(yīng)力分布如圖7(a)，檔桿故障狀態(tài)下檔桿的應(yīng)力分布如圖7(b)～(d)所示。正常狀態(tài)下檔桿的最大應(yīng)力σmax=1.178 GPa，裂紋7 mm時(shí)檔桿的最大應(yīng)力值為σmax=1.448 GPa，比正常狀態(tài)下增長(zhǎng)了26%；當(dāng)裂紋增大到15 mm時(shí)檔桿的最大應(yīng)力值為σmax=2.334 GPa，比正常狀態(tài)下增長(zhǎng)了98%；當(dāng)裂紋增大到20 mm時(shí)檔桿的最大應(yīng)力值為σmax=4.518 GPa，比正常狀態(tài)下增長(zhǎng)了284%。由此可知，檔桿出現(xiàn)裂紋的時(shí)候，檔桿所出現(xiàn)的最大應(yīng)力值隨裂紋的增大而遞增，并且隨著裂紋的增大增率也明顯的上升，應(yīng)力值變化曲線如圖8所示。在裂紋狀態(tài)下，應(yīng)力集中出現(xiàn)在右側(cè)裂紋區(qū)域。

圖7 檔桿應(yīng)力分析

圖8 檔桿最大應(yīng)力值變化曲線

3.2 扇形板的應(yīng)力分析

由圖9(a)～(d)的扇形板應(yīng)力分布圖對(duì)比可知，當(dāng)檔桿產(chǎn)生裂紋時(shí)，扇形板的應(yīng)力隨著裂紋的增大而相應(yīng)減小，但是應(yīng)力的下降幅度并不是很明顯，應(yīng)力大小下降保持在3%以內(nèi)，因此，檔桿裂紋對(duì)扇形板的影響較小。

圖9 扇形板應(yīng)力分布

3.3 滾輪應(yīng)力分析

圖11 動(dòng)觸頭行程曲線圖

查看分析結(jié)果，對(duì)比檔桿正常與故障狀態(tài)下的滾輪應(yīng)力分布云圖可知，當(dāng)檔桿出現(xiàn)相應(yīng)的故障時(shí)，滾輪的受力便大幅度降低，裂紋達(dá)7 mm時(shí)，滾輪的最大應(yīng)力值σmax=5.741 ×10-1GPa，比正常狀態(tài)下的應(yīng)力最大值σmax=6.829 ×10-1GPa減小了16%，同時(shí)，當(dāng)裂紋繼續(xù)增大時(shí)，滾輪應(yīng)力也相應(yīng)的減小，直至檔桿達(dá)到裂紋最大值時(shí)，滾輪應(yīng)力減小到正常狀態(tài)下應(yīng)力值的4/5以下。與此同時(shí)，滾輪最先出現(xiàn)疲勞失效的位置即應(yīng)力最大位置為凸輪與滾輪接觸的起始位置附近。分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 滾輪應(yīng)力分布

3.4 動(dòng)觸頭行程曲線分析

已知?jiǎng)佑|頭行程為95 mm，其運(yùn)動(dòng)誤差將控制在2 mm之間，因此通過合閘過程仿真結(jié)果分析如圖11可知，在正常狀態(tài)下的動(dòng)觸頭行程為94.39 mm。檔桿出現(xiàn)7 mm裂紋時(shí)，動(dòng)觸頭的行程為93.07 mm，所以經(jīng)仿真得到，當(dāng)檔桿出現(xiàn)裂紋小于或等于7 mm的時(shí)候，高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是可以有效地進(jìn)行合閘的。一旦超過7 mm，動(dòng)觸頭的行程便不滿足于與斷路器的誤差范圍，也就做不到有效地合閘。

由此可見，在該故障下，整個(gè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力狀況普遍的降低。尤其以滾輪的應(yīng)力降低最為顯著。因此，在設(shè)計(jì)以及實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)檔桿的強(qiáng)度校核和檢測(cè)一定要充分重視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障，避免造成斷路器能量傳遞的損耗以及更大范圍的損害。

4 結(jié)論

本文以斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，通過Pro/E對(duì)其進(jìn)行三維建模，利用HyerMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及LS-DYNA的后處理運(yùn)算，完成了高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)檔桿故障的計(jì)算仿真分析，并得出以下結(jié)論：

(1)分析了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在正常狀態(tài)和檔桿裂紋故障狀態(tài)下的應(yīng)力分布，對(duì)3種故障狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，得出了各種故障對(duì)零件應(yīng)力的影響。

(2)建立了斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)仿真模型，得到了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)檔桿裂紋故障下關(guān)鍵零部件的應(yīng)力最大值及變化情況。

(3)根據(jù)分析結(jié)果得到了動(dòng)觸頭的行程曲線，對(duì)斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)零件失效分析及可靠性設(shè)計(jì)提供了有益參考。

分析結(jié)果表明，不同故障狀態(tài)下斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布變化不一樣。一旦故障發(fā)生，帶來的影響尤其是零件的應(yīng)力分布千差萬別，極有可能產(chǎn)生疲勞失效并加劇零件的惡化速度，因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中都要注意常見故障的排查和杜絕，保證斷路器的工作可靠性。

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Study on Stress Distribution of Spring Operating Mechanism of High Voltage Circuit Breaker Under the Condition of Half Axle Failure

WAN Shuting， XIAO Shanshan， DOU Longjiang， ZHANG Xiong， ZHAO Xiaodi

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

By combining HyperMesh and LS-Dyna, the stress of the high voltage circuit breaker spring operating mechanism under the axle shaft fault is analyzed. Firstly, the three-dimensional model is established according to the part size of the spring operating mechanism of the high voltage circuit breaker; then the 3D model is meshed by the finite element software HyperMesh; finally, the stress calculation of the spring operating mechanism of the breaker is carried out by using LS-Dyna. Through the simulation, the key parts of the stress distribution and the maximum stress position under the half shaft failure of spring operating mechanism are obtained. The results show that the stress condition of the whole mechanism is generally reduced, and the traveling stroke of the moving contact is obviously unable to meet the design requirements of the breaker. The results provide a useful reference for the failure analysis and reliability design of the spring operating mechanism of the circuit breaker.

high voltage circuit breaker; axle shaft fault; HyperMesh; stress analysis

2017-07-16。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51777075)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2017XS133)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.010

TM531

A

1672-0792(2017)12-0055-06

萬書亭(1970-)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。